Impresión 3D ahora se puede utilizar para imprimir microbaterías de iones de litio del tamaño de un grano de arena

Impresión 3D ahora se puede utilizar para imprimir microbaterías de iones de litio del tamaño de un grano de arena. Los microbaterías impresos podrían suministrar electricidad a pequeños dispositivos en los campos de la medicina a las comunicaciones, incluyendo a muchos que se han quedado en los bancos de laboratorio por falta de suficiente una pequeña batería para encajar el dispositivo, sin embargo, proporciona la suficiente energía almacenada para poder ellos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han demostrado la capacidad de impresión en 3D de una batería.Esta imagen muestra la pila de entrelazado de electrodos que se imprimieron capa por capa para crear el ánodo y el cátodo de trabajo de una microbatería. (SEM cortesía de Jennifer A. Lewis.)

Para que los microbaterías, un equipo basado en la Universidad de Harvard y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign impresos pilas entrelazadas con precisión de diminutos electrodos de la batería, cada uno menor que el ancho de un cabello humano.

"No sólo hemos demostrado por primera vez que podemos 3D-imprimir una batería, hemos demostrado que la manera más rigurosa", dijo Jennifer A. Lewis, autor principal del estudio, que también es el Hansjörg Wyss Profesor de origen biológico Ingeniería Inspirada en la Escuela de Harvard de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS), y un Core Miembro de la Facultad del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología de la Universidad de Harvard. Lewis lideró el proyecto en su posición anterior en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en colaboración con el coautor Shen Dillon, profesor adjunto de Ciencia de los Materiales e Ingeniería allí.

Los resultados han sido publicados en línea en la revista Advanced Materials .

En los últimos años, los ingenieros han inventado muchos dispositivos miniaturizados, como implantes médicos, robots voladores similares a insectos y cámaras diminutas y micrófonos que caben en un par de anteojos. Pero a menudo las baterías que accionarlas son tan grandes o más grandes que los propios dispositivos, lo que contradice el objetivo de construir pequeñas.

Para solucionar este problema, los fabricantes han depositado tradicionalmente películas delgadas de materiales sólidos para construir los electrodos. Sin embargo, debido a su diseño ultra-delgado, estos micro-baterías de estado sólido no se empaquetan la energía suficiente para alimentar dispositivos miniaturizados de mañana.

Los científicos se dieron cuenta de que podían acumular más y más energía si podían crear pilas de fuertemente entrelazados, electrodos ultradelgadas que se construyeron fuera de plano. Para ello recurrieron a la impresión 3D. Impresoras 3D siguen las instrucciones de los dibujos de ordenador en tres dimensiones, depositando capas sucesivas de materiales, tintas, para construir un objeto físico desde el principio, al igual que apilar una baraja de cartas de una en una. La técnica se utiliza en una variedad de campos, desde la producción de coronas en los laboratorios dentales para el prototipado rápido de la industria aeroespacial, automoción y bienes de consumo. Grupo de Lewis ha ampliado en gran medida las capacidades de impresión en 3D. Ellos han diseñado una amplia gama de tintas funcionales - tintas con útiles propiedades químicas y eléctricas. Y se han utilizado las tintas con sus impresoras 3D hechas a medida para crear estructuras precisas con las propiedades electrónicas, ópticas, mecánicas o biológicamente relevante que desean.

Para crear el microbatería, una impresora a la medida 3D extruye tintas especiales a través de una boquilla estrecha que un cabello humano. Esas tintas solidifican para crear el ánodo de la batería (rojo) y el cátodo (púrpura), capa por capa. Un caso (verde) a continuación, encierra los electrodos y la solución de electrolito se añade para crear una microbatería de trabajo. (Ilustración cortesía de Jennifer A. Lewis.)

Para imprimir electrodos 3D, el grupo de Lewis creó primero y probado varias tintas especializadas. A diferencia de la tinta en una impresora de inyección de tinta de la oficina, que sale en forma de gotitas de líquido que mojan la página, las tintas para la impresión desarrollados 3D extrusión basada deben cumplir dos requisitos difíciles. Deben salir de boquillas finas como pasta de dientes de un tubo, y deben de inmediato se endurecen en su forma final.

En este caso, las tintas también tuvo que funcionar como materiales electroquímicamente activos para crear ánodos y cátodos de trabajo, y tuvieron que se endurecen en capas que son tan estrechos como los producidos por los métodos de fabricación de película delgada. Para lograr estos objetivos, los investigadores crearon una tinta para el ánodo con nanopartículas de un compuesto de óxido de metal de litio y una tinta para el cátodo de nanopartículas de otro. La impresora deposita las tintas sobre los dientes de dos peines de oro, creando una pila firmemente entrelazado de ánodos y cátodos. A continuación, los investigadores empaquetan los electrodos en un pequeño recipiente y lo llenaron con una solución de electrolitos para completar la batería.

A continuación, se mide la cantidad de energía podría ser embalado en las baterías pequeñas, la cantidad de energía que podían ofrecer, y cuánto tiempo llevó a cabo una carga. "El rendimiento electroquímico es comparable a las baterías comerciales en términos de carga y la velocidad de descarga, ciclo de vida y la densidad de energía. Sólo somos capaces de lograr esto en una escala mucho más pequeña ", dijo Dillon.

"Innovadores diseños de tinta MicroBattery de Jennifer ampliar drásticamente los usos prácticos de la impresión en 3D, y se abren al mismo tiempo posibilidades totalmente nuevas para la miniaturización de todos los tipos de dispositivos, tanto médicos como no médicos. Es muy emocionante ", dijo el Director Fundador Wyss Donald Ingber, quien también es profesor de Bioingeniería de SEAS Harvard.

El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y el Centro de Investigación Frontier Energy DOE sobre las interacciones luz-materiales en Conversión de Energía. Lewis y Dillon colaboraron con el autor principal Ke Sun, un estudiante graduado en Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Teng Wei-Sing, un estudiante graduado en Harvard SEAS; Yeop Bok Ahn, un científico de investigación senior en el Wyss Institute y SEAS, y Jung Yoon Seo, un científico visitante en el grupo de Lewis, del Instituto Superior Coreano de Ciencia y Tecnología.

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